Что такое электро­мобиль

В 2023 году в России продали около 15 000 новых электромобилей — почти в три раза больше, чем в 2022.

Популярность электромобилей постоянно растет — несмотря на небольшое количество зарядных станций и относительно дешевое топливо.

В отличие от машин с бензиновыми и дизельными моторами, в электромобилях не горит топливо — его там вообще нет. Расскажем, откуда в них энергия для движения, что вращает их колеса и нагревает салон.

У электромобилей нет строгой и общепринятой классификации. Но все модели можно формально отнести к одному из двух обширных видов.

На платформе автомобилей с ДВС. Многие производители серийных моделей — с ДВС, коробкой передач, баком для топлива в задней части кузова — минимально переделывают их конструкцию и выпускают электромобили.

Вместо ДВС и трансмиссии устанавливают электромотор, а батарею небольшого объема размещают в салоне или под капотом. Это не значит, что такая машина похожа на гаражную переделку: многие автопроизводители выпускали такие электромобили, они были вполне надежны и пользовались спросом. Но их характеристики были заметно скромнее, чем у второго вида.

На собственной платформе. Такие электромобили изначально проектируют как электрические, у их платформы нет ничего общего с автомобильной. Главное различие — в расположении аккумуляторных батарей: их устанавливают под полом салона. Благодаря этому у машины низкий центр тяжести и она лучше управляется.

А еще у такого электромобиля просторный салон, а под капотом — дополнительное место для багажа. Можно установить и один, и несколько электромоторов. Модели, которые изначально разрабатывают как электромобили, часто бывают с приводом на одну ось или полноприводными — в зависимости от комплектации.

Мощность электродвигателя измеряют в лошадиных силах или киловаттах — как и мощность автомобилей с ДВС. В характеристиках указывают обычно максимальную, кратковременную мощность всех электромоторов. Они могут выдавать ее и не перегреваться всего 10—15 секунд.

С другой стороны, для машин с ДВС обычно тоже указывают максимальную мощность на высоких оборотах — в реальной жизни мотор редко «крутят» до этого значения. От мощности мотора зависит максимальная скорость автомобиля или электромобиля, но у большинства современных моделей ее искусственно ограничивают в целях безопасности значением 180—200 км/ч.

Крутящий момент. Насколько быстро двигатель может разогнать машину, зависит не от мощности, а от другого параметра — крутящего момента, который измеряют в ньютон-метрах, Н·м. У ДВС он растет с увеличением оборотов двигателя и достигает максимума в районе примерно 3000—4000 об/мин. Именно поэтому в машинах с ДВС нужна многоступенчатая коробка передач и сцепление — чтобы увеличивать крутящий момент на низких оборотах.

В отличие от ДВС, электромоторы сразу — прямо с нуля оборотов — развивают максимальный крутящий момент. Поэтому разгонная динамика электромобиля намного выше бензиновых или дизельных машин: не нужно ждать, когда двигатель раскрутится до более высоких оборотов, чтобы увеличить крутящий момент.

Емкость батареи. В каждом электромобиле есть аккумуляторная батарея. Она обеспечивает энергией абсолютно все системы: от тяговых электромоторов до отопителя и кондиционера. Аккумулятор электромобиля литийионный — как у мобильного телефона, только намного больше.

Количество энергии, которое может запасти аккумулятор электромобиля, зависит от его емкости. Ее измеряют в киловатт-часах — кВт·ч. Чем выше емкость, тем дальше вы сможете проехать на электромобиле, не подзаряжая батарею.

В разные варианты комплектации одной и той же модели электромобиля могут ставить батареи разной емкости — чем больше емкость аккумулятора, тем дороже машина. Например, Hyundai Kona Electric 2024 года оснащают двумя разными батареями: емкостью 48,6 кВт·ч и запасом хода 317 км и более емкой — 64,8 кВт·ч и запасом хода 418 км.

Емкость аккумуляторов дорогих и быстрых электромобилей обычно более 100 кВт·ч. Например, на электрический пикап Rivian R1T ставят три разных аккумулятора: стандартный, емкостью 105 кВт·ч и запасом хода 434 км, большой — 135 кВт·ч и 517 км и максимальный — емкостью 180 кВт·ч и внушительным запасом хода в 660 км.

Время зарядки батареи. Это один из главных аргументов противников электромобилей — заряжать машину приходится значительно дольше, чем заправлять автомобиль бензином. На время зарядки влияют несколько факторов:

• температура окружающей среды. Холодные аккумуляторы заряжаются медленно, и в сильный мороз их нужно подогревать. А в жару — охлаждать и снижать зарядный ток, чтобы батареи не перегрелись;
• мощность зарядной станции. От бытовой однофазной розетки батарею емкостью 90 кВт·ч можно зарядить примерно за 12 часов, а от мощной быстрой зарядной станции постоянного тока на общественной парковке — всего за 40—60 минут;
• остаток заряда и состояние батареи. В зависимости от остатка заряда батарея заряжается по-разному: почти полностью разряженный или полностью заряженный аккумулятор — медленно, а с зарядом от 20 до 80% — быстро.

Обычно производители указывают время, за которое батарею можно зарядить от 20 до 80% самым быстрым способом — с помощью самой мощной станции постоянного тока. К машино-месту в паркинге или даже к загородному участку подвести такую мощность не дадут. Быстрые и мощные зарядные станции устанавливают в основном на общественных парковках, электрозарядных станциях и традиционных заправках, но за их использование обычно приходится платить.

Запас хода в километрах или милях — это расстояние, которое может проехать электромобиль на полностью заряженном аккумуляторе без подзарядки. Запас хода производители могут измерять по разным стандартам: всемирному WLTP, японскому JС08, китайскому CLTC или американскому EPA FTP-75. Во всех стандартах имитируют разные режимы, разные скорости, включают и выключают дополнительное оборудование. Но в реальной жизни запас хода обычно меньше, чем обещает производитель. При заявленном запасе хода в 500 км реальный пробег электромобиля в городе летом — около 400 км, а зимой — 300—350 км.

В отличие от бензиновых и дизельных авто, расход энергии на трассе у электромобилей больше, чем в городе. Так работает система рекуперации: в городском режиме при частом замедлении машина с электромотором возвращает энергию движения в аккумуляторы, а на скоростных шоссе машины тормозят значительно реже.

Электромотор преобразует электрическую энергию батарей в энергию вращения вала. Двигатель состоит из двух частей: неподвижной — статора — и подвижной — ротора. На роторе и статоре — два набора электромагнитов, которые ориентируют одинаковыми полюсами навстречу. Электромагниты отталкиваются друг от друга, вращая ротор.

Есть разные конструкции электродвигателей — на постоянном или переменном токе, часть электромагнитов можно заменить постоянными магнитами. В электромобилях чаще всего используют электромоторы переменного тока. Их скоростью вращения можно управлять, меняя частоту тока.

Инвертор. Аккумуляторная батарея выдает постоянный ток, а для питания электродвигателей нужен переменный. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный нужной частоты и управляет скоростью вращения мотора в зависимости от того, как водитель нажимает на педаль акселератора.

Другие системы электромобиля — климат-контроль, мультимедийная система, освещение — используют постоянный ток.

Трансмиссия. Крутящий момент электромотора почти не зависит от его скорости вращения, поэтому трансмиссия электромобилей намного проще и дешевле, чем у машин с ДВС. У большинства электромобилей вместо коробки передач — односкоростной редуктор. Он ничего не переключает, а только уменьшает скорость вращения и увеличивает крутящий момент на колесах.

Аккумуляторы электромобилей — литийионные. У них высокая удельная емкость и длительный срок службы. Батарея электромобиля состоит из тысяч небольших цилиндрических элементов — «батареек» стандартных типов 18650, 21700 или 46800  , которые объединены в более крупные модули.

Стандартные элементы дешевы в изготовлении, поэтому большинство производителей электромобилей — Tesla, BMW, Rivian, Lucid — используют такой подход. Но некоторые, например Zeekr, собирают батареи из «кирпичиков» — призматических литийионных элементов.

Система охлаждения. Когда батарея заряжается или отдает энергию, она выделяет много тепла. При перегреве она может разрушиться, загореться или даже взорваться. Чтобы этого не произошло, батарею необходимо охлаждать. А в мороз, наоборот, подогревать — иначе она плохо заряжается и отдает энергию.

Поэтому электромобили оснащают системой охлаждения, а иногда и подогрева батарей. Система охлаждения похожа на аналогичную систему ДВС: помпа, вентилятор, расширительный бачок, радиатор — только она отводит тепло не от двигателя, а от батарей. Есть и электромобили с воздушной системой охлаждения, например популярный Nissan Leaf.

Бортовое зарядное устройство. Чтобы батарею можно было заряжать от любой розетки с переменным током, в любом электромобиле есть бортовое зарядное устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. Но оно не слишком мощное: 7,5 кВт для однофазной бытовой сети и 11—22 кВт для трехфазной промышленной. Быстрые зарядные станции постоянного тока не используют бортовое устройство, они заряжают батарею напрямую.

Система рекуперации. Когда водитель отпускает педаль акселератора, электромобиль не едет накатом, а тормозит с помощью электромоторов: они работают как генераторы, преобразуют энергию движения в электрическую и заряжают аккумуляторные батареи. С включенной системой рекуперации электромобилем можно управлять только одной педалью — это самый экономичный режим, который экономит энергию и увеличивает запас хода.

👍 Эффективные и динамичные. КПД двигателя внутреннего сгорания — 25—40%, электродвигателя — 88—95%. Электромобили расходуют энергию намного эффективнее бензиновых и дизельных аналогов. А динамика у них — как у гиперкаров: электрический семейный седан или хэтчбэк можно разогнать до 100 км/ч меньше чем за 4 секунды.

👍 Меньше загрязняют атмосферу. Электродвигатели не сжигают топливо и не загрязняют атмосферу выхлопом. Но об общей экологичности постоянно спорят: например, эффект будет меньше, если местная электростанция сжигает ископаемое топливо, чтобы получить энергию для зарядки электромобилей.

👍 Обслуживать проще и дешевле. Электродвигатель намного проще, чем ДВС, в нем меньше движущихся частей. В электромобилях не нужно менять масло и масляный фильтр, свечи, ремень ГРМ и многие другие детали. Рекуперативное торможение позволяет намного реже менять колодки — например, только через 100 000 км.

👎 Батарея изнашивается. По разным оценкам, срок службы аккумуляторной батареи электромобиля — 10—12 лет, его емкость постепенно уменьшается. Замена аккумулятора на новый может стоить столько же, сколько подержанный электромобиль.

👎 Мало зарядных станций. Зарядная инфраструктура в России развита очень слабо. В небольших городах найти работающую публичную зарядную станцию очень сложно. В больших городах есть электрозарядные станции, но они не бесплатные — чтобы полностью зарядить батарею, нужно будет отдать 700—1000 ₽.

👎 Зимой запас хода снижается. В сильный мороз батарея работает менее эффективно и нужно много энергии, чтобы прогреть салон. А еще электромобили нужно тщательно чистить от снега и льда: капот не нагревается и снег на нем не тает.